【導讀】高性能電壓監控器的作用是在檢測到故障狀況（例如電源故障）時，將下游微控制器系統置于復位模式，以避免系統出錯和發生故障。除此功能之外，ADI公司的某些監控電路產品還具備一些補充功能，提供的輸出信號會觸發必要的操作，從而保護下游電路，因而成為檢測系統故障和隨機硬件故障的一體化解決方案。
本文介紹了高性能電壓監控器如何解決各種應用中影響系統性能的常見限制和故障。
引言
本系列文章的第一部分介紹了電壓監控器的基礎知識，并討論了它如何有助于提高基于數字計算器件（如微控制器）的電子系統的可靠性。數字計算器件對電源供電有嚴格要求，并存在一些限制。然而，僅靠在欠壓情況下將系統置于復位模式，并不足以確保系統長期穩定運行。
除電源要求外，如果忽視系統設計問題和器件的缺陷與限制，系統整體性能也會受影響，導致系統不穩定且可靠性下降。例如，考慮圖1所示基于數字計算器件的系統的典型架構。這類應用通常會遇到器件限制帶來的問題（如微控制器卡死和軟件代碼掛起）、環境因素引發的復雜情況（如突然斷電），或是設計缺陷導致的故障（如工作條件超出規格范圍等）。監控電路不斷演進，集成的增強功能可有效解決系統中的關鍵限制。本文的后續部分將對此進行討論。
圖1. 由輸入接口、處理器和輸出接口組成的微控制器系統的典型架構
保護系統免受即將發生的電源故障影響
下游電路的電源大多來自經過降壓處理后的主電源。上游電源的故障最終會導致下游電路乃至整個系統發生故障。如果事先未加防范，上游電源故障可能會對系統造成嚴重影響，包括損壞硬件。尤其是在執行數據處理或存儲操作時，后果可能非常嚴重，比如導致系統故障、數據丟失，造成設備損壞，從而產生額外的維修費用，甚至導致業務暫時中斷。
主電源引起的下游電路故障很難提前檢測，特別是在降壓型DC-DC穩壓器（如圖2a所示）的輸入范圍非常寬的情況下，DC-DC穩壓器會在其輸入范圍內繼續運行，而不會向整個系統發出任何警告。
圖2.(a)電源故障警告電路會通過其PFI引腳檢測主電源電壓，從而檢測是否即將發生電源故障。
(b)電源故障警告會在MCU實際掉電前發出。
電源故障警告電路會檢測系統上游電源是否即將發生故障。它會產生電源故障輸出(PFO)信號作為故障預警。可選擇適當的元件值參數，使得PFI的電壓在DC-DC穩壓器輸出下降之前的幾毫秒降至基準電壓以下，從而使微控制器在徹底失去電源之前獲得一段緩沖時間，如圖2b所示。PFO信號通常用于中斷微控制器，以執行必要的處理和關斷程序。
具備此特性的電源監控電路包括MAX16020、MAX16033、ADM69x、LTC6911-x，或是LTC69x系列中的產品（如LTC692和LTC693）等。利用電源故障警告特性，可完成其他電源系統診斷，例如監測電池供電設備中的電池電壓電平。
確保在電源規格范圍內工作
在需要保持嚴格穩壓的系統中，過壓故障可能會引發災難性后果，因此需要使用窗口電壓監控器。例如，當今復雜的電子系統通常基于FPGA，而FPGA對電源調節要求非常嚴格。若超出了規定的電源電壓范圍，可能無法達到理想狀態，導致功耗過高和器件壽命縮短。
窗口電壓監控器對于保障一定程度的系統安全性也發揮著重要作用。它通常用于電源診斷，檢測欠壓(UV)和過壓(OV)故障，并觸發相應機制將系統置于安全狀態。
圖3.MAX16009其中一個通道的簡化框圖
圖3顯示了MAX16009的一個窗口電壓監控器的簡化框圖示例，它有專用的UV和OV輸出接口及電阻配置的觸發點。這只是窗口電壓監控器的一種已知架構，還有其他實現方案可供選用，以適應不同的應用需求。關于窗口電壓監控器的全面討論，請參見文章“使用合適的窗口電壓監控器來優化系統設計”。
檢測微處理器無響應和系統死機
借助看門狗定時器，電壓監控器除了監測電源電壓外，還能監測微處理器是否無響應，從而進一步避免系統死機。
有多個因素可能導致微控制器卡死、停滯或停止工作，包括電源問題、電氣干擾、軟件或編碼問題。優化電源設計和實施電壓監測有助于改善噪聲性能和穩定性，從源頭防止器件溫度升高、性能下降或由此引發的系統死機。對于電氣干擾問題，可通過合理的設計來增強系統的抗干擾能力，從而降低微控制器卡死的風險。此外，對于因軟件問題導致的系統停滯，例如陷入無限循環、進程運行時間過長或代碼邏輯錯誤，可通過使用看門狗定時器來實現有效檢測。它可在指定的時間范圍內監測來自微控制器或處理器的時鐘信號。若未能在指定的時間范圍內發出時鐘信號，則表明系統無響應或軟件卡死。看門狗定時器提供一個輸出信號，此信號可以是看門狗輸出(WDO)信號或復位輸出信號。
圖4顯示了遠程無線傳感器節點中的應用案例，其中看門狗定時器用于監測系統是否無響應。看門狗定時器的輸出可觸發冗余復位機制，通過電源重啟實現軟復位和硬復位。請注意，第二個看門狗定時器WD2具有更長的看門狗超時周期；如果無響應狀態持續，則利用它來驅動高邊MOSFET開關以進行電源重啟。1
圖4.使用看門狗定時器功能來監測系統是否無響應，并觸發冗余復位機制
隨著架構不斷改進，看門狗定時器對處理器活動的監測變得更加嚴格。窗口看門狗的工作方式與普通看門狗類似，區別在于服務周期被劃分成多個時間段，每個時間段稱為一個窗口。由于服務僅在窗口周期的某些時間有效，因此時序必須更加精準才能確保服務有效。質詢/響應式看門狗是ADI最近推出的一種看門狗架構，它要求處理器或微控制器執行一項任務或計算以確保自身處于正常運行狀態。在此類看門狗定時器中（如MAX42500），看門狗定時器IC內有一個鍵-值寄存器。微控制器必須讀取此值，并使用它來計算相應的響應。此類看門狗消除了系統卡死在僅發出周期性信號的例程中的可能性。2,3
支持用戶控制
各類系統除應支持通過電壓故障和看門狗定時器等條件自動觸發復位外，往往還需要提供手動復位能力。手動復位(MR)允許用戶無需進行硬復位或關閉系統電源，就能執行測試和調試等活動。例如，在解決軟件問題時，用戶可通過手動復位重啟系統。
手動復位特性還允許用戶在系統鎖定期間強制重新啟動，而無需先斷電再上電。這樣做就不需要重新初始化整個系統，從而節省時間和能源。在應用中，此特性與緊急停車功能一起使用，確保在必要時進行可控關斷。
在應用中，例如圖5a所示電路，當MR引腳配合機械接口（如開關）甚至外部邏輯使用時，噪聲和毛刺可能會產生不良影響，導致復位輸出被錯誤觸發。為了防止這種情況，須為手動復位特性引入一些內部電路技術，例如去抖電路和延長手動復位建立周期4。圖5b所示的例子說明了MAX6444中手動復位建立周期的工作原理及其如何保障輸入信號的確定性。關于手動復位誤觸發應對方案的詳細討論，請參閱文章“電壓監控器如何解決電源噪聲和毛刺問題”。
圖5.(a)MAX6444的應用電路，MR可通過外部邏輯或開關觸發。
(b)手動復位建立周期需要在復位輸出信號置為有效之前完成。
斷電期間保持工作并避免數據損壞
有些應用要求采用非易失性存儲器，以確保數據在斷電重啟后仍能完整保留。這要求即使在斷電情況下，CMOS RAM（互補金屬氧化物半導體隨機存取存儲器）中的內容也要仍然可用，系統的其他關鍵功能也要繼續運行。為此，可使用帶備用電池的監控電路。5
圖6展示了一種帶備用電池的監控電路。當輸入電源電壓VCC存在時，此電壓將接通輸出電壓VOUT。如果VCC失效，則電池電壓(VBATT)將接通VOUT。切換電路會比較輸入電源電壓和VBATT輸入電壓，并將輸出連接到兩者中較高的電壓。電路通常存在滯回特性，當VCC下降非常緩慢或接近電池電壓時，可防止出現反復和快速的切換。
圖6.基于ADM8695的備用電池和芯片使能特性應用電路
VOUT可以通過內部開關從VCC給外部提供有限的電流。如果需要更多電流，例如在較大負載中，可以添加外部PNP晶體管。當VCC恢復到正常穩壓狀態且高于VBATT時，BATT ON輸出變為低電平。
作為對備用電池特性的補充，“低電平有效芯片使能”(CE)門控特性也能保護數據，防止數據損壞。來自微處理器或地址解碼邏輯的低電平有效CE線會經由監控芯片進行傳輸，而不是直接進入SRAM。此信號在經過監控芯片時不受任何影響。在復位期間，CE線被強制拉高以禁用對存儲器的訪問，防止SRAM內容遭受意外數據損壞或錯誤寫入5。隨著閃存的引入，備用電池特性開始式微。但在許多系統的應用場景中，這項特性仍然非常有用。
雖然一些監控電路具備先前討論的每種特性，但有些器件將所有特性集成于單一元件之中，從而提供更全面和完整的解決方案。
結語
盡管電壓監控器的欠壓故障檢測功能可提升系統可靠性，但還需引入其他診斷功能與風險緩解機制，以全面應對各類系統故障，進一步增強系統的穩健性與可靠性。電源故障警告、窗口電壓監控、看門狗定時器、手動復位和備用電池等附加特性，有助于應對基于微控制器和微處理器的系統因自身局限性所導致的各種故障，從而避免系統出錯。通過監控各種情況并采取措施以避免災難性后果，能夠為系統設計人員和最終用戶帶來更強的信心和保障。
